從材料創(chuàng)新到技術(shù)創(chuàng)新 ROHM雙溝槽SiC-MOSFET量產(chǎn)

憑借高壓、高溫和高頻的三大特性，SiC（碳化硅）材料自問世以來就受到了廣泛的關(guān)注，特別是在電源、太陽能光伏和工業(yè)市場。

從最早商用的SiC肖特基二極管，到近幾年出現(xiàn)的SiC金氧半場效晶體管（MOSFET）、結(jié)晶性場效應(yīng)晶體管（JFET）和雙極型晶體管（BJT），隨著產(chǎn)品性能的逐步提升和價(jià)格的顯著下降，SiC器件正逐步取代傳統(tǒng)的FRD和IGBT等產(chǎn)品。據(jù)IHS IMS Research預(yù)測(cè)，到2022年SiC MOSFET銷售額預(yù)計(jì)將達(dá)到4億美元，超越肖特基二極管成為最熱賣產(chǎn)品。

2014年SiC功率器件的市場規(guī)模僅為1.2億美元。前景雖然樂觀，但實(shí)現(xiàn)兩位數(shù)的年增長率絕非易事。ROHM半導(dǎo)體（深圳）有限公司 分立元器件部 高級(jí)經(jīng)理 水原德健表示，相較硅功率器件的100億美元市場，SiC的市場規(guī)模還很有限，當(dāng)然也意味著巨大的上升空間。作為最早開發(fā)SiC的廠商之一，ROHM已在SiC市場耕耘十余年，縱觀SiC的商用歷程，材料的創(chuàng)新性是SiC進(jìn)入功率市場的入場券，但要贏得更多的市場份額，技術(shù)的不斷創(chuàng)新才是關(guān)鍵。

近日，ROHM開始量產(chǎn)采用創(chuàng)新的雙溝槽的SiC-MOSFET，器件導(dǎo)通電阻顯著降低，有助于工業(yè)設(shè)備等大功率設(shè)備的小型化與低功耗化。

據(jù)水原德健介紹，目前，市場上主流的SiC-MOSFET以平面結(jié)構(gòu)為主，ROHM的上一代SiC-MOSFET也是采用平面結(jié)構(gòu)。新產(chǎn)品與現(xiàn)有的平面型SiC-MOSFET相比，同一芯片尺寸的導(dǎo)通電阻可降低50%，同時(shí)還提高了開關(guān)性能（輸入電容降低約35%），這將大幅降低太陽能發(fā)電用功率調(diào)節(jié)器和工業(yè)設(shè)備用電源、工業(yè)用逆變器等所有相關(guān)設(shè)備的功率損耗。

圖： 平面結(jié)構(gòu)與溝槽結(jié)構(gòu)的對(duì)比（※圖片來源：ROHM Co., Ltd.）

將柵極設(shè)計(jì)為溝槽結(jié)構(gòu)，可以有效提高芯片cell密度，從而降低導(dǎo)通損耗，提升開關(guān)性能。但是，一般的單溝槽設(shè)計(jì)在門極溝槽底部電場集中，易被破壞，導(dǎo)致可靠性降低，難以量產(chǎn)。ROHM創(chuàng)新的雙溝槽結(jié)構(gòu)則有效緩和門極溝槽部分產(chǎn)生的電場的結(jié)構(gòu)，可以確保器件的長期可靠性，ROHM現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了采用溝槽結(jié)構(gòu)的SiC-MOSFET的量產(chǎn)。

圖：單溝槽結(jié)構(gòu)與ROHM雙溝槽結(jié)構(gòu)的對(duì)比（※圖片來源：ROHM Co., Ltd.）

如下圖所示，首個(gè)量產(chǎn)的采用溝槽結(jié)構(gòu)的SiC-MOSFET的BSM180D12P3C007，與IGBT模塊相比，開關(guān)損耗降低約77%，與使用ROHM第2代平面結(jié)構(gòu)的SiC-MOSFET相比，開關(guān)損耗降低約42%。

圖：SiC-MOSFET大幅降低了開關(guān)損耗（※圖片來源：ROHM Co., Ltd.）

ROHM能夠提出創(chuàng)新設(shè)計(jì)解決SiC溝槽結(jié)構(gòu)的技術(shù)難題并非偶然。據(jù)了解，ROHM早在2002年6月就開始了SiC-MOSFET的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，在2010年率先開始量產(chǎn)SiC-MOSFET，在2013年率先量產(chǎn)1200V全SiC功率模塊，始終走在SiC材料技術(shù)創(chuàng)新的前沿，不斷突破技術(shù)瓶頸。值得一提的是，2009年SiC晶圓廠商SiCrystal加盟ROHM，從而確立了從德國生產(chǎn)SiC PCB板，日本福岡生產(chǎn)SiC分立器件，到日本京都ROHM總部生產(chǎn)SiC模塊的一條龍生產(chǎn)體制。這一獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，保證了ROHM SiC產(chǎn)品的可靠供貨，又使得ROHM在SiC從材料、工藝到設(shè)計(jì)各個(gè)環(huán)節(jié)有更多的創(chuàng)新機(jī)會(huì)以實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。據(jù)水原德健透露ROHM下一步的開發(fā)重點(diǎn)是將SiC-MOSFET每個(gè)溝槽距離進(jìn)一步變小、器件更精密，尺寸更小。

據(jù)Yole Développement預(yù)測(cè)，2015年基于SiC的功率模塊市場規(guī)模將超過1億美元，2020年將達(dá)到8億美元，主要取決于汽車行業(yè)是否采用SiC技術(shù)。據(jù)水原德健介紹，汽車行業(yè)目前歐洲和日本廠商都有采用SiC器件，熱門的充電樁領(lǐng)域，中國的一家大廠商也在使用ROHM的產(chǎn)品。

目前全球有約30家半導(dǎo)體廠商具有SiC器件的設(shè)計(jì)、制造和銷售能力，雖然研發(fā)進(jìn)度各不相同，但他們幾乎同樣面臨著成本、封裝和貨源這些重要挑戰(zhàn)。我們期待更多公司加入創(chuàng)新的行列，共同推動(dòng)SiC市場的增長，使得太陽能發(fā)電和工業(yè)電源等設(shè)備的能耗、尺寸進(jìn)一步降低。